Heusler-Materialien werden die IT revolutionieren

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Erden Physiker euphorisch, dann aus gutem Grund. Etwa wenn sie erstmals ein Material in den Händen halten mit hundertprozentiger Spinpolarisation bei Raumtemperatur, und damit die Grundlage für extrem leistungsfähige Spintronik-Bauteile.

Es ist ein Durchbruch, auf den Physiker und Chemiker weltweit lange gehofft hatten und der die Informationstechnologie in den nächsten Jahren maßgeblich beeinflussen dürfte: Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es zum ersten Mal gelungen, die hundertprozentige Spinpolarisation einer Heusler-Verbindung direkt zu beobachten. Heusler-Materialien bestehen aus mehreren metallischen Elementen in einer Gitterstruktur. Sie zählen zu den Kandidaten für neue Werkstoffe, um noch kleinere Datenspeicher mit noch höheren Speicherdichten zu bauen.

In den letzten Jahren waren allerdings Zweifel aufgekommen, ob Heusler-Materialien diese Erwartungen tatsächlich erfüllen würden. Physiker der JGU konnten nun zeigen, dass sich für die Heusler-Verbindung Co2MnSi die erforderlichen elektronischen Eigenschaften nachweisen lassen. Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern und Chemikern der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) in Dresden erstellt. Die Beobachtungen legen den Grundstein für die künftige Entwicklung außerordentlich leistungsfähiger Bauteile in der Spintronik auf Basis von Heusler-Materialien. Anwendungen ergeben sich zum Beispiel für Festplatten-Leseköpfe oder für nichtflüchtige Speicherelemente.

Spinbasierte Elektronik für die IT der Zukunft

Elektronen sind die Ladungsträger in Metallen und Halbleitern. Sie besitzen aber nicht nur eine Ladung, die für die konventionelle Elektronik entscheidend ist, sondern auch ein magnetisches Moment, den Spin, vorstellbar als eine Art Eigendrehung des Elektrons um die eigene Achse. Spinbasierte Elektronik, auch Spintronik genannt, wird allgemein als Informationstechnologie der Zukunft angesehen, für deren optimale Leistungsfähigkeit allerdings neuartige Materialien erforderlich sind.

Eine entscheidende Größe ist dabei die Spinpolarisation, das heißt der Grad der parallelen Ausrichtung der am Ladungstransport beteiligten Spins. Das Wunschmaterial sollte eine möglichst hohe Spinpolarisation aufweisen, also möglichst viele Elektronen sollen sich in die gleiche Richtung ausrichten. Den Mainzer Physikern ist nun der erste direkte experimentelle Nachweis einer nahezu vollständigen Spinpolarisation bei Raumtemperatur für die intermetallische Heusler-Verbindung Co2MnSi gelungen. „Es wird schon lange über diese Materialklasse geforscht und es gibt viele theoretische Hinweise auf die elektronischen Eigenschaften der Heusler-Verbindungen, aber bisher konnte kein einziges Experiment eine hundertprozentige Spinpolarisation bei Raumtemperatur bestätigen“, erklärt PD Dr. Martin Jourdan von der JGU, Erstautor der Studie.

Spinpolarisation tritt an der Oberfläche des Materials

Für sehr tiefe Temperaturen von minus 269 Grad Celsius hatten sich entsprechende Hinweise schon erhärtet. Entscheidend für die spätere praktische Anwendung ist außerdem ein weiterer Befund, den die Wissenschaftler an der Verbindung Co2MnSi – bestehend aus Kobalt, Mangan und Silicium – nachgewiesen haben, nämlich dass die hohe Spinpolarisation an der Oberfläche des Materials auftritt. Professor Claudia Felser, die das Forschungsfeld der halbmetallischen Heusler-Materialien vor 15 Jahren etabliert hat, sieht diese Arbeit als einen lang erhofften Durchbruch an. „Endlich gelang der direkte experimentelle Nachweis der hundertprozentigen Spinpolarisation, ein wichtiger Meilenstein in Richtung neuer Spintronik-Devices“, so Felser, Direktorin am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden.

Der erfolgreiche Nachweis beruht auf einer außerordentlich präzisen Herstellung der Probe. Dazu muss in der Kristallstruktur der Heusler-Verbindung eine perfekte atomare Ordnung erreicht werden. Dieser besonders hohe Ordnungsgrad genau an der Oberfläche des Materials wird in Mainz mithilfe der Dünnschichtpräparation in einer Ultrahochvakuumkammer erzeugt. Die Spinpolarisation wird dann mit Photoelektronenspektroskopie gemessen und konnte in Zusammenarbeit mit Theoretikern der LMU und des MPI-CPfS durch eine besondere Kombination von Volumen und Oberflächeneigenschaften der Verbindung erklärt werden.